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矿井乏风也称为通风瓦斯,其甲烷浓度极低,一般在1%以下,属于极低浓度甲烷,这种浓度的甲烷在一般条件下不能被直接利用,如果对乏风进行分离提纯,所耗费的能量要远远超过所获取甲烷能量的价值是不经济的。世界每年排入大气的瓦斯量约为2500万吨,2010年的排放量可能达到2800万吨,其中70%(中国为90%)来自矿井乏风。可见,每年通过矿井乏风而浪费的瓦斯能源量是相当大的。同时,甲烷也是一种极具污染性的气体,据有关资料显示单位体积的甲烷所造成温室效应的能力是CO2的21倍左右,甲烷对大气中臭氧层的破坏能力也是相当大的。所以矿井乏风直接排空对环境造成了很大的破坏。总之:矿井乏风是丰富而廉价的,如果能加强对这些长期直排空的矿井乏风的利用,无疑将会节约大量的能源,并且对环境保护有着直接而重要的意义。
本文实验通过配置浓度为0.75%和0.5%的极低浓度甲烷来模拟矿井乏风,使两个浓度的甲烷通过高温炉膛,收集炉膛排除的气体,并对收集气体进行测试,以得到矿井乏风高温氧化的条件和规律。实验通过调整炉膛温度以得到不同温度下极低浓度甲烷的氧化情况;通过改变气体流速,调整极低浓度甲烷在高温条件下的氧化时间,来进一步得出极低浓度甲烷高温氧化与氧化时间的关系。最后实验模拟了气体通过炉膛的情况,并用fluent软件对炉膛内部的相关情况进行了模拟。通过实验得出:
(1)极低浓度甲烷在一定温度下能够被逐渐氧化。氧化所需的温度与其浓度有关,一般条件下,甲烷浓度越高则氧化所需的温度越低;甲烷浓度越低,氧化所需的温度越高。
(2)极低浓度甲烷高温氧化与气体在高温条件下持续的时间有关,气体在高温条件下持续的时间越长,其氧化所需的温度越低;气体在高温条件下持续的时间越短,氧化所需的温度越高。
(3)根据实验研究得出极低浓度甲烷在锅炉炉膛中应该在850℃左右时即开始被氧化,甲烷浓度逐渐降低,且在900℃左右时能被被完全氧化。并且根据上面实验结论得出,若降低炉膛进风风速,则极低浓度甲烷高温氧化所需的温度会更低。
本文还结合屯留矿的现场实际情况,对屯留矿乏风利用进行了初步设计,并对乏风利用的社会效益和经济效益进行了分析和说明。